第5章激光器件

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1、速率方程增益饱和激光器工作特性振荡阈值振荡模式输出功率输出线宽弛豫振荡放大的自发辐射选模调Q/锁模/放大稳频增益开关DFB激光器谐振腔理论高斯光束无谐振腔激光器第五章典型激光器件5.1概述5.1.1激光器的基本结构工作物质谐振腔泵浦源由工作物质、泵浦源、光学谐振腔三个部分组成工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉泵浦源为工作物质实现粒子数反转提供能源谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的质量5.1.2激光器的分类及特点1960年，美国人梅曼（Maiman)首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。按激光工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器

2、、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器、X射线激光器、光纤激光器等1.气体激光器1961年第一台氦氖激光器气体激光器以气体和金属蒸汽为工作物质原子气体激光器分子气体激光器离子气体激光器产生激光作用的是未电离的原子，如氦氖激光器产生激光作用的是未电离的分子，如CO2,N2，准分子激光器产生激光作用的是已电离的离子，如Ar+激光器气体激光器的特点（1）已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红外整个光谱区。（2）工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。（3）容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级（4）转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件

3、成本低。（5）气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器气体激光器被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相及医学、育种等领域。泵浦方式一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等。2.固体激光器将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性质主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀土金属离子（3）过渡金属离子（4）锕系金属离子基质材料有玻璃和晶体两类常见的：红宝石（Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石（Nd

4、3+:YAG)、钕玻璃、掺钛蓝宝石(Ti3+:Al2O3)常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类突出特点：可获得大的激光能量输出，但脉冲输出能量可达到上万焦耳，脉冲峰值功率可达1013~1014瓦/厘米2。但热效应严重、连续输出功率不如气体高。3.液体激光器1966年第一台染料激光器工作物质为：有机化合物液体（染料）、无机化合物液体波长范围300nm~1.3μm，激光波长连续可调。结构简单、价格低廉。但溶液的稳定性比较差。泵浦方式主要为光泵浦。4.半导体激光器1962年，第一台Ga-As激光器问世半导体激光二极管，LaserDiode(LD)采用注入电流的方式泵浦波长范围

5、：920nm~1.65μm,其中1.3μm和1.55μm为光纤通讯的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、寿命长等优点。5.化学激光器1964年第一台光解离碘原子化学激光器通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也可以是液体采用化学激励，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，共率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。6.自由电子激光器工作物质是相对论电子束7.X射线激光器工作物质是高度电离的等离子体8.光纤激光器1963年按工作方式分激光器可分为连续输出和脉冲输出两类5.2气体激光器5.2.1氦氖激光器在气体激光器中，采用气体放电或电子束激励

6、的方法实现泵浦。在激光工作气体中，除能发射激光的气体之外，一般还含有辅助气体，如各种惰性气体及氧、氮、氦等。他们在激光其中有的作为缓冲气体改善工作气体的传热特性，有的则作为能量转移气体。Ne为工作物质，He为辅助物质。常用波长为632.8nm（红光），其次是1.15μm、3.39μm。增益低，输出功率在毫瓦量级。一、基本结构He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中

7、的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，